Swell near Lyttelton Harbour, New Zealand
Duże falochrony obserwowane na plaży mogą być wynikiem odległych układów pogodowych na pewnym odcinku nieprzerwanego oceanu. Pięć czynników wpływa na powstawanie fal wiatrowych, które następnie przekształcają się w oceaniczny swell:
- Prędkość lub siła wiatru w stosunku do prędkości fali – wiatr musi poruszać się szybciej niż czoło fali (w kierunku, w którym porusza się czoło fali), aby nastąpił transfer energii netto z powietrza do wody; silniejsze, długotrwałe wiatry tworzą większe fale
- Nieprzerwana odległość otwartej wody, nad którą wiatr wieje bez znaczącej zmiany kierunku (zwana fetą)
- Szerokość powierzchni wody we fecie
- Czas trwania wiatru – czas, w którym wiatr wieje nad fetą
- Głębokość wody
Wszystkie te czynniki współdziałają w celu określenia wielkości fal wiatrowych:
- Wysokość fali (od koryta do grzbietu)
- Długość fali (od grzbietu do grzbietu)
- Okres fali (przedział czasu pomiędzy przybyciem kolejnych grzbietów do punktu stacjonarnego)
- Kierunek propagacji fali
Wpływ fali głębinowej na ruch cząstek wody (dryf Stokesa).
W pełni rozwinięte morze ma maksymalną wielkość fali teoretycznie możliwą do uzyskania przy wietrze o określonej sile i fetorze. Dalsze wystawienie na działanie tego konkretnego wiatru spowodowałoby utratę energii równą energii wejściowej dającej stan ustalony, z powodu rozproszenia energii wynikającego z lepkości i rozbijania wierzchołków fal w postaci „białych czap”. Fale na danym obszarze zazwyczaj mają różną wysokość. Dla celów prognozowania pogody oraz naukowej analizy statystyk fal wiatrowych, ich charakterystyczna wysokość w danym przedziale czasowym jest zwykle wyrażana jako istotna wysokość fali. Liczba ta reprezentuje średnią wysokość najwyższej jednej trzeciej fal w danym okresie czasu (zwykle wybieranym gdzieś w zakresie od 20 minut do 12 godzin), lub w konkretnym systemie falowym lub burzowym. Istotna wysokość fali jest również wartością, którą „przeszkolony obserwator” (np. z załogi statku) oszacowałby na podstawie obserwacji wzrokowej stanu morza. Biorąc pod uwagę zmienność wysokości fal, największe pojedyncze fale będą prawdopodobnie nieco mniejsze niż dwukrotność znaczącej wysokości fali.
Fazy oceanicznej fali powierzchniowej: 1. Grzebień fali, gdzie masy wody w warstwie powierzchniowej poruszają się poziomo w tym samym kierunku co czoło fali. 2. Fala opadająca. 3. Koryto, gdzie masy wody w warstwie powierzchniowej poruszają się poziomo w kierunku przeciwnym do kierunku czoła fali. 4. Fala wznosząca.
Źródła generacji fal wiatrowychEdit
Morze krzyżowe płytkowodnych fal rozkołysowych w pobliżu Latarni Morskiej Wielorybów (Phare des Baleines), Île de Ré
Fale wiatrowe są generowane przez wiatr. Inne rodzaje zaburzeń, takie jak zdarzenia sejsmiczne, mogą również powodować fale grawitacyjne, ale nie są one falami wiatrowymi i zazwyczaj nie powodują rozkołysu. Generowanie fal wiatrowych jest inicjowane przez zakłócenia pola wiatru bocznego na powierzchni wody.
Jednakże, jeśli ustawi się płaską powierzchnię wody (skala Beauforta 0) i gwałtowne przepływy wiatru bocznego na powierzchni wody, wtedy generowanie powierzchniowych fal wiatrowych może być wyjaśnione przez dwa mechanizmy, które są inicjowane przez normalne fluktuacje ciśnienia wiatrów turbulentnych i równoległe przepływy ścinające wiatru.
Generacja fal powierzchniowych przez wiatryEdit
Mechanizm powstawania fal
Z „fluktuacji wiatru”: Tworzenie się fali wiatrowej zapoczątkowane jest przez losowy rozkład ciśnienia normalnego działającego na wodę od wiatru. Według tego mechanizmu, zaproponowanego przez O.M. Phillipsa w 1957 roku, powierzchnia wody jest początkowo w spoczynku, a generowanie fali jest inicjowane przez turbulentne przepływy wiatru, a następnie przez fluktuacje wiatru, normalnego ciśnienia działającego na powierzchnię wody. Z powodu tej fluktuacji ciśnienia powstają naprężenia normalne i styczne, które generują zachowanie falowe na powierzchni wody.
Założenia tego mechanizmu są następujące:
- Woda jest pierwotnie w spoczynku;
- Woda jest inviscid;
- Woda jest irrotational;
- Normalne ciśnienie do powierzchni wody od turbulentnego wiatru jest losowo rozłożone; i
- Korelacje między ruchami powietrza i wody są zaniedbywane.
Założenia tego mechanizmu są następujące:
Generalnie, te mechanizmy powstawania fal występują razem na powierzchni oceanu, dając początek falom wiatrowym, które w końcu urastają do w pełni rozwiniętych fal. Jeśli założyć, że powierzchnia morza jest bardzo płaska (liczba Beauforta, 0), a gwałtowny wiatr wieje jednostajnie w poprzek niej, fizyczny proces powstawania fal wygląda następująco:
- Turbulentne przepływy wiatru tworzą losowe wahania ciśnienia na powierzchni morza. Małe fale o długości fali rzędu kilku centymetrów są generowane przez fluktuacje ciśnienia (mechanizm Phillipsa).
- Wiatr boczny nadal działa na początkowo zmienioną powierzchnię morza. Następnie fale stają się większe, a w miarę jak to robią, różnice ciśnień rosną, a wynikająca z tego niestabilność ścinania przyspiesza wzrost fal w sposób wykładniczy (mechanizm Milesa).
- (Uwaga: Większość prędkości fal obliczonych na podstawie długości fali podzielonej przez okres jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z długości. Tak więc, z wyjątkiem najkrótszej długości fali, fale te są zgodne z teorią głębokowodną opisaną w następnym rozdziale. Fala o długości 8,5 m musi znajdować się albo w płytkiej wodzie, albo pomiędzy głęboką a płytką.)
.